În lumea de astăzi, ne întâlnim din ce în ce mai des cu tot felul de dispozitive și sisteme inteligente. Sarcina lor este destul de simplă − să eficientizeze și să facă viața oamenilor mai ușoară. Controlere vocale, sisteme de iluminat inteligente, prize care monitorizează consumul de energie, senzori pentru condițiile de mediu − toate aceste dispozitive se califică pentru conceptul așa-numitului Internet al Lucrurilor (IoT). În acest articol vom analiza cele mai populare standarde de comunicație utilizate în acest tip de aplicații.
Conform definiției, Internetul Lucrurilor este o rețea digitală formată din obiecte interconectate și, în același timp, o rețea care se conectează la lumea fizică. Afirmația a fost folosită pentru prima dată de Kevin Ashton, antreprenorul britanic care a lansat tendința IoT în 1999. Cu alte cuvinte, Internetul Lucrurilor poate fi descris ca fiind dispozitive interconectate care pot colecta date, le pot analiza și le pot partaja cu alte dispozitive.Un exemplu în acest sens ar fi un sistem inteligent de ventilație și încălzire într-o întreprindere mare. Împrăștiați în întreaga instalație, senzorii pot colecta date privind condițiile de mediu în timpul proceselor de producție, precum și în birouri sau depozite. Controlerele conectate ale unităților de tratare a aerului, ale încălzitoarelor cu infraroșu și ale cazanelor pot reacționa la datele colectate, ajustându-și parametrii în timp real pentru a menține temperatura, umiditatea sau nivelul de oxigen în conformitate cu standardele acceptate de fabrică.
Cum funcționează IoT?
Ecosistemul IoT este alcătuit din dispozitive inteligente care suportă un anumit tip de comunicație, de obicei fără fir. Acestea includ echipamente hardware, cum ar fi microcomputere, senzori și echipamente de comunicație, pentru a colecta, trimite și acționa asupra datelor. Dispozitivele de tip „Internetul Lucrurilor” partajează datele pe care le colectează, conectându-se la alte sisteme de nivel superior pentru analiză și procesare. Dispozitivele principale pot comunica, de asemenea, cu alte elemente de colectare a datelor, astfel încât, împreună, să formeze un imens sistem comun IoT. Hardware-ul care compune Internetul Lucrurilor face cea mai mare parte a activității fără intervenția omului, deși acesta poate interacționa cu el − de exemplu configurarea, transmiterea de instrucțiuni sau accesarea de date.
Cum comunică dispozitivele IoT?
Dispozitivele IoT sunt conectate între ele de obicei prin intermediul unei rețele WI-FI, ceea ce este foarte convenabil, dar uneori acest tip de comunicație este mai presus de formă decât de fond. În plus, există momente în care echipamentul lansat nu se află în raza de acțiune a niciunei rețele. Atunci trebuie să folosim un alt tip de comunicație. Prin urmare, pe lângă cele mai populare protocoale de comunicație IoT, este util să se cunoască și soluțiile mai de nișă.
WIFI în instalațiile IoT
TME oferă un număr de module WI-FI și Bluetooth
Hegemonul absolut în ceea ce privește mijloacele de comunicație între dispozitivele IoT este WI-FI, menționat mai sus. O conexiune tipică WI-FI utilizează unde radio la frecvențe specifice pentru a face schimb de date − cele mai populare fiind 2,4GHz și 5GHz, dar 6GHz, care oferă o lățime de bandă de până la 1200 MHz este, de asemenea, din ce în ce mai frecventă. WI-FI este utilizată, de obicei, de cele mai avansate componente care pot face parte dintr-un sistem IoT – telefoane inteligente, computere și microcomputere. Cele mai populare module care acceptă standardul WiFi sunt cu siguranță ESP8266 și ESP32.
Bluetooth
Bluetooth este unul dintre cele mai utilizate protocoale de comunicație cu rază scurtă de acțiune. Un dispozitiv care comunică prin intermediul acestei interfețe poate transmite date pe distanțe de la un metru până la 100 m, în funcție de clasa de putere. Acesta este un parametru strâns legat de raza de acțiune, definind puterea de ieșire a emițătorului. Există trei clase de putere − clasa 1 − putere 100 mW (20 dBm), rază maximă de acțiune: 100 m, clasa 2 − putere 2,5 mW (4 dBm), rază maximă de acțiune: 10 m, clasa 3 − putere 1 mW (0 dBm), rază maximă de acțiune: 1 m. Bluetooth este un protocol standard al Internetului Lucrurilor care utilizează undele radio (de obicei la 2,4 GHz) ca purtător de date, similar cu WI-FI. Bluetooth este un standard de comunicație relativ sigur, ideal pentru soluții mobile, în cazul în care nu este neapărat necesar un debit mare de date. Distanța scurtă și consumul redus de energie sunt caracteristicile Bluetooth. De asemenea, merită menționat BLE sau Bluetooth Low Energy. Este o versiune cu consum redus de energie a protocolului Bluetooth, care este deosebit de populară în industria IoT, în special în dispozitive mici alimentate de la baterii.
Ethernet
Rețelele Ethernet necesită cabluri
Un sistem IoT nu înseamnă doar comunicații fără fir. Dispozitivele IoT pot utiliza, de asemenea, un tip comun de conexiune prin cablu, cum ar fi Ethernet pentru comunicație. Aceasta nu este cea mai convenabilă soluție, deoarece trebuie conectat un cablu la dispozitiv, iar rutarea acestuia poate fi problematică în anumite locuri. Cu toate acestea, există locuri în care va fi foarte ușor să se bazeze o nouă rețea IoT pe un astfel de standard de comunicație. Vorbim aici despre companii și fabrici mai mari, unde, de obicei, toate zonele aveau deja o conexiune de rețea cu fir. Dacă doriți să vă modernizați puțin compania, este ușor să implementați dispozitive pentru Internetul Lucrurilor bazate tocmai pe o conexiune Ethernet.
NFC
NFC este, de asemenea, unul dintre protocoalele de comunicație IoT. Este o rețea cu lățime de bandă și putere reduse, utilizată pentru schimbul de date pe distanțe scurte, de obicei până la aproximativ 4 cm. Datorită specificității sale, acest tip de comunicație este utilizat în condiții și situații destul de specifice, cum ar fi plățile fără contact. NFC poate fi, de asemenea, utilizat în sistemele de control al accesului conectate la o rețea mai mare de Internetul Lucrurilor.
Zigbee
Plăcile de expansiune reprezintă o modalitate convenabilă de a vă extinde rețeaua IoT
ZigBee este un protocol de transmisie de date similar cu Bluetooth. Se utilizează în principal în mediul industrial. Și în acest caz, pentru transmiterea de date se utilizează undele radio de 2,4GHz. Zigbee are un consum redus de energie, o lățime de bandă redusă (până la 250 kbps) și o rază de acțiune destul de mare, de până la 100 m. Deși standardul Zigbee este vechi de câțiva ani, caracteristicile sale îl fac ideal pentru aplicațiile IoT. Merită să menționăm aici topologia de rețea (mesh) pe care se bazează Zigbee. Acest lucru înseamnă că rețeaua este ușor de construit și de întreținut, deoarece dispozitivele se conectează între ele într-o manieră directă, dinamică și neierarhică. Cu alte cuvinte, fiecare dispozitiv se conectează la alte dispozitive disponibile în raza de acțiune, astfel încât rețeaua se organizează singură.
Telefonie mobilă
Dispozitivele IoT (Internet of Things) pot transmite cu succes date prin rețelele mobile GSM, 4G/LTE și 5G. Acest lucru va fi deosebit de binevenit, mai ales dacă dorim să trimitem informații pe distanțe lungi. Cu toate acestea, este important să ne amintim că transmisia celulară este destul de consumatoare de energie, astfel încât atunci când proiectăm acest tip de soluție IoT ar trebui să luăm în considerare accesul permanent la energie sau comunicarea doar pentru o perioadă de timp specifică și limitată, dar acest lucru descalifică rețelele celulare pentru sistemele în timp real. În pofida acestui fapt, rețelele de telefonie mobilă au un avantaj destul de important − rază de acțiune. Astăzi, datorită furnizorilor de rețele mobile, dispozitivele IoT care utilizează această soluție pot fi amplasate practic oriunde.
LoRaWAN
Gateway de rețea care acceptă LoRaWAN
LoRaWAN este una dintre cele mai populare tehnologii IoT, destinată în primul rând dispozitivelor pentru care consumul de energie este important. Acest protocol se caracterizează printr-un consum redus de energie și viteze de transmisie reduse (0,3kbs până la 50kbs). Implementarea tehnologiei LoRaWAN este recomandabilă mai ales în cazul dispozitivelor mici, adesea mobile și alimentate de la baterii. Un exemplu în acest sens este reprezentat de senzorii de nivel de apă, care sunt instalați pe un sit minier în aer liber. Dispersate în tot complexul, dispozitivele comunică cu o bază centrală, care poate fi situată la o distanță de până la câțiva kilometri. Acest tip de comunicație este de obicei unidirecțională, adică senzorul transmite date către bază, de obicei de mai multe ori pe zi. Din nefericire, o astfel de soluție împiedică vizualizarea datelor în direct, dar acest lucru asigură faptul că un senzor amplasat pe teren consumă mult mai puțină energie și poate fi alimentat de la baterii.
Sigfox
Modul Sigfox în oferta MikroE
Una dintre cele mai interesante soluții IoT este, de asemenea, standardul de comunicație Sigfox, oarecum similar cu LoRaWAN, deși, în esență, cele două soluții sunt destul de diferite. Sigfox vă permite să primiți date de la un număr foarte mare de dispozitive, fără ca acestea să fie conectate permanent la rețea. Amplasat pe teren, echipamentul trimite cantități mici de date, iar un singur cadru are maximum 26 de octeți. Frecvențele radio sunt utilizate pentru comunicații − în Europa și Orientul Mijlociu sunt de 868 MHz, în timp ce în America de Nord sunt de 902 MHz. Unul dintre avantajele cheie ale Sigfox este că dispozitivele nu sunt legate permanent de nicio stație de bază, ci trimit date în eter, astfel încât acestea să fie recepționate de baza aflată în raza de acțiune. În plus, Sigfox se bazează pe funcționarea în cloud − ceea ce înseamnă că toate calculele sunt efectuate în unitățile centrale. Sarcina dispozitivelor de pe teren este doar de a colecta datele de la senzori și de a le trimite în rețea, astfel încât au nevoie de puțină energie pentru a funcționa și pot fi alimentate de la baterii.
Z-Wave
Este un protocol de comunicație fără fir IoT emergent, creat pentru dispozitive de automatizare a locuinței. Z-Wave este o tehnologie de comunicație radio cu putere redusă, operând într-o bandă sub 1GHz. Este capabilă să gestioneze până la 232 de dispozitive simultan. Componentele de automatizare a locuinței, cum ar fi luminile și senzorii inteligenți, reprezintă principalele domenii de aplicare pentru acest tip de comunicație.
Aplicații ale dispozitivelor Internetul Lucrurilor
Internetul Lucrurilor ajută oamenii să trăiască și să lucreze mai eficient și mai confortabil. Dispozitivele de acest tip pot fi implementate în aproape fiecare aspect al vieții noastre. Într-un cadru casnic, putem crea cu ușurință un sistem de senzori și dispozitive de acționare inteligente legate de un asistent vocal. De acum înainte, printr-o singură comandă, putem porni iluminatul, închide ferestrele sau modifica temperatura camerei.
Dispozitivele IoT sunt, de asemenea, extrem de utile pentru industrie. Pe lângă gestionarea condițiilor de mediu dintr-o instalație, menționată mai sus, Internetul Lucrurilor poate fi utilizat și pentru controlul proceselor de producție sau pentru gestionarea logisticii depozitului. Un sistem IoT bine construit vă permite să controlați exact ceea ce se întâmplă în fabrică. Productivitatea mașinilor, timpii morți, lanțul de aprovizionare, operațiunile logistice. Toate aceste date pot fi colectate și înregistrate, iar pe baza lor este posibilă optimizarea în continuare a operațiunilor companiei.
Ce poate face parte din IoT?
Practic, orice dispozitiv poate face parte din IoT, iar limita este dată doar de imaginație. Totul poate fi inteligent în felul său − senzori inteligenți care trimit date în cloud, termostate controlate prin aplicații, camere de luat vederi a căror imagine poate fi urmărită din cealaltă parte a lumii, becuri a căror culoare poate fi schimbată cu ajutorul unui ceas. Lumea dispozitivelor IoT este în continuă creștere. Conform datelor, există deja peste 20 de miliarde de dispozitive care funcționează sub acest concept și un lucru de care putem fi siguri este că acest număr va continua să crească.
Text elaborat de Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.